海水離心泵CFD仿真

2018-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

01項目概述

為了保證海洋水族館的水質(zhì),必須建立完善的水處理體系。離心泵不停將污水抽入過濾沙缸,再將凈化后的水送回水池。海水循環(huán)泵的水力設(shè)計不僅影響水處理的效率,同時對于設(shè)備穩(wěn)定運行,節(jié)能都有重要意義。CFD工具可以在水泵三維CAD造型初步完成后,樣機(jī)未生產(chǎn)之前及時的獲得水力性能參數(shù)指標(biāo)。對可能的設(shè)計不足,進(jìn)行修正和改進(jìn),節(jié)省了大量的實驗成本。

02CFD建模

CFD分析工具和三維CAD設(shè)計軟件必須有良好的接口,同時CFD網(wǎng)格的生成過程,參數(shù)設(shè)置等要簡易而靈活,這樣產(chǎn)品設(shè)計工程師可以快速的改動設(shè)計參數(shù),驗證新的設(shè)計變動。本文采用SolidWorks進(jìn)行水力外形的建模,將數(shù)據(jù)傳遞給HyperWorks前處理工具。采用四面體填充流道內(nèi)的網(wǎng)格,并控制過流面邊界層網(wǎng)格生長和局部加密。整個過程可以在一小時內(nèi)完成。

2.1 物理模型

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中,為了獲得穩(wěn)態(tài)的外特性參數(shù),可以采用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系MRF模型。MRF模型是一種定常計算模型,模型中假定網(wǎng)格單元做勻速運動,這種方法適用于網(wǎng)格區(qū)域邊界上各點的相對運動基本相同的問題。大多數(shù)時均流動都可以用MRF模型進(jìn)行計算,特別是運動網(wǎng)格區(qū)域與靜止網(wǎng)格區(qū)域間的相互作用比較微弱時可以使用MRF模型進(jìn)行計算,例如攪拌器內(nèi)流場計算、泵和風(fēng)機(jī)內(nèi)流場計算等等。MRF模型的另一個用途是用來為滑動網(wǎng)格模型計算提供初始流場,即先用MRF模型粗略算出初始流場,再用滑動網(wǎng)格模型完成整個計算。

為了檢驗湍流模型對結(jié)果精度的影響,測試了幾種RANS湍流模型,包括一方程SA,兩方程SST,RealizableK-e,結(jié)果顯示SST和RealizableK-e的結(jié)果較接近,而且SST收斂性更好。

2.2 幾何模型

本文中分析的海水泵屬于單級單吸式離心泵,由于安裝空間和管路設(shè)計限制,其出口管道采用無偏置設(shè)計,入口管道和出口管道的軸心相交于葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線上。

在HyperWorks中讀入零件模型,首先對各部件進(jìn)行幾何編輯。由于不考慮傳熱,所有的固體區(qū)域,包括外殼、法蘭面、螺栓孔等,在幾何簡化中需要將其抑制,通過布爾運算提取和流體接觸部分的”濕面”。

圖1 離心泵三維CAD示意模型

圖2 流體區(qū)域的提取

2.3 CFD網(wǎng)格劃分

通過幾何編輯,提取了封閉的完整的流域后,將葉輪,蝸殼,進(jìn)出口分成不同的component方便設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)和邊界條件。葉輪表面邊界層網(wǎng)格第一層高度為0.5mm,共3層,網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)549444,單元數(shù)3257970。網(wǎng)格如圖3–圖5所示。

圖3 網(wǎng)格控制示意圖

圖4 網(wǎng)格剖面示意圖

圖5 葉輪面網(wǎng)格細(xì)節(jié)

03CFD計算

3.1 計算設(shè)置

設(shè)置入口流量,出口靜壓,恒定轉(zhuǎn)速。由于設(shè)計點的性能參數(shù)事先只能估算,故在水泵工作范圍內(nèi)取點,將入口流量寫為函數(shù),從而描繪性能曲線。每個工況點的計算在16核CPU工作站約1.5小時完成,收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)為10A-4。計算過程中監(jiān)測效率,揚程曲線確保隱式迭代過程完全收斂。

3.2 計算結(jié)果

一共計算了兩個離心泵模型,其中一個蝸殼采用常規(guī)漸開線設(shè)計,另外一個采用雙蝸殼設(shè)計。取其中一個工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理分析。

圖6 兩種不同的水力設(shè)計

通過圖7-8流場顯示,可以看出第一種水力設(shè)計的葉輪內(nèi)部,速度梯度過渡還比較平緩,表明葉輪有效做功。水流在法蘭出口處存在旋渦和分離。由于管路安裝限制,進(jìn)出口法蘭中心須在同一平面上,造成水流在離開蝸殼后不得不發(fā)生偏轉(zhuǎn),而又由于泵體的尺寸限制,出口管路和蝸殼的過渡比較劇烈,這造成了額外的水力損失。

圖7 過出口法蘭對稱面上的流體速度

圖8 三維流線

通過圖9-10流場顯示,可以看出第二種水力設(shè)計由于蝸殼內(nèi)增加了分流板,蝸殼內(nèi)的二次流現(xiàn)象得到一定的抑制,在大流量下,這也可以有效的減輕葉輪徑向力,提高軸承壽命。出口法蘭的過渡圓角改變后,此處的流動分離明顯得到改善,只存在小范圍的旋渦。

圖9 過出口法蘭對稱面上的流體速度

圖10 三維流線

04水力實驗數(shù)據(jù)驗證

將第一種水力設(shè)計的離心泵實驗數(shù)據(jù)和CFD計算數(shù)據(jù)對比。需要注意的是,CFD的效率計算未考慮容積損失和機(jī)械損失,僅僅是水力效率。從對比結(jié)果看,揚程的精度較高,誤差在1.8%~8%以內(nèi)。效率的精度在Q=150m^3/s附近較高,最小誤差≈2.4%,在小流量區(qū)域(左側(cè))偏低,大流量區(qū)域(右側(cè))偏尚,最大誤差≈17%。

從以往的分析經(jīng)驗看,這一般符合葉輪機(jī)械cro預(yù)測的規(guī)律。在最高效率點附近,流動損失小,水流能較好的沿著葉輪流道和蝸殼型線流動,穩(wěn)態(tài)MRF模型和RANS湍流模型能比較準(zhǔn)確的分析揚程和效率的數(shù)值。當(dāng)流量向著兩側(cè)移動的時候,水泵運行的工況變得惡劣,流道內(nèi)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的二次流和沖擊損失。現(xiàn)有的數(shù)值模型不能非常準(zhǔn)確的捕捉過度紊亂的流動現(xiàn)象,尤其對扭矩的預(yù)測出現(xiàn)較大的偏差,此時如采用更高級的湍流模型,如大渦模擬或DES模型,或采用瞬態(tài)滑移網(wǎng)格能提高預(yù)測精度。這會極大的增加計算時間和成本。從工程應(yīng)用的角度,掌握誤差的規(guī)律對設(shè)計同樣具有指導(dǎo)意義。